Динамические смесители в нефтепереработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Динамические смесители в нефтепереработке

Николаев Евгений Анатольевич

Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов»

Филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

нефтяной технический университет» в г. Стерлитамаке

Аннотация

В работе рассмотрены конструкции динамических смесителей, предназначенных для компаундирования нефтепродуктов. Наибольшее применение на практике получили роторно-пульсационные аппараты. Обзор конструктивных особенностей роторно-пульсационных аппаратов позволил выявить ряд их недостатков. Устранить эти недостатки предлагается посредством применения роторно-дисковых смесителей.

Ключевые слова: компаундирование, топливо, динамический смеситель.

Введение

Процессы компаундирования (смешения) - одна из важнейших стадий переработки нефтепродуктов. К компаундированию нефтепродуктов относят: создание однородных водо-нефтяных эмульсий в установках электрообессоливания сырой нефти, производство высоко-качественных экологически чистых видов топлива с экономией присадок и снижением себе-стоимости производства, производство стойких водотопливных эмульсий, приготовление многокомпонентных моторных масел, смазок, спецжидкостей и химических компонентов.

Современные тенденции в топливной промышленности, такие как ужесточение экологических требований к топливу, рост их объемов потребления, повышение себестоимости добычи нефти, ухудшение качества добываемой нефти и, как следствие, удорожание её переработки, приводят к необходимости пересмотра традиционных подходов к производству топлив. В первую очередь это касается получения высокооктановых бензинов и использования топлив и компонентов топлив альтернативных нефтяным. В мировой практике эти вопросы решаются, например, использованием спиртов в качестве добавок к традиционному бензину (в первую очередь этилового спирта, производимого из возобновляемых источников сырья), а также использованием водотопливных эмульсий (ВТЭ).

Использование этилового спирта в качестве добавки к топливу обеспечивает повышение экологических характеристик моторных топлив (снижение вредных выбросов до 30%), повышение октанового числа бензинов (на 6-8 пунктов), обеспечение экономии традиционных топлив [1-3]. Опыт использования ВТЭ в двигателях внутреннего сгорания различного назначения и котельных установках показал, что ВТЭ обеспечивают экономию топлива (до 20%) при значительном улучшении экологических характеристик продуктов сгорания и снижении нагарообразования. Износ и надежность работы основных систем и деталей находится на том же уровне (при условии использования умягченной воды), как и при работе без воды [4, 5].

Одна из основных проблем этанолсодержащих топлив - фазовая нестабильность (спирты С₁-С₃ смешиваются с водой в любых соотношениях и присутствие последней в спиртосодержащем бензине является причиной фазового разделения). При приготовлении ВТЭ основная задача - получить оптимальную структуру смеси. Размер частиц воды в ВТЭ должен составлять от 5 до 10 мкм. При увеличении размеров снижается стабильность ВТЭ, при уменьшении снижается эффективность. Решение этих задач зависит, в первую очередь, от используемого перемешивающего устройства.

Аппараты, предназначенные для компаундирования нефтепродуктов, можно разделить на две группы: аппараты без вращающихся элементов - статического типа и аппараты с вращающимися элементами - динамического типа. Статические аппараты отличаются простотой конструкций, неприхотливостью в эксплуатации, низкими затратами на изготовление и эксплуатацию, но данная группа аппаратов не может конкурировать с динамическими по интенсивности воздействия на обрабатываемый поток.

Конструкции динамических смесителей

Анализ научных информационных и патентных источников по тематике исследуемой проблемы выявил, что из всего многообразия динамических (роторных) аппаратов для компаундирования нефтепродуктов наибольшее успешное применение нашли роторно-пульсационные аппараты (РПА) [6-14].

Прототипом РПА является гидродинамическая сирена - акустический излучатель, действие которого основано на периодическом прерывании потока жидкости (или газа). Конструктивные особенности сирен, их методы расчёта и применение были описаны ещё в середине прошлого века [15-17].

Сирены делятся на динамические (вращающиеся) и пульсирующие. Динамические сирены нашли большее применение в промышленности. Они подразделяются на осевые и радиальные; в первом случае движущийся поток совпадает с осью вращения, во втором - направлен по радиусу перпендикулярно оси (рис. 1).

Рис. 1. Динамическая сирена: а) - осевая, б) - радиальная

роторный пульсационный смеситель нефтепереработка

Типовой проточный РПА (рис. 2) состоит из ротора 1 и статора 2, помещенных в корпусе 3 и выполненных в виде чередующихся коаксиальных цилиндров с прорезями (отверстиями) или в виде концентрически расположенных зубьев. Во внутренней зоне ротора могут быть установлены лопасти или ножи 4, обеспечивающие измельчение крупных фракций дисперсной фазы и улучшающие условия перемешивания, транспорта обрабатываемой среды, поступающей, как правило, в патрубок 5 и удаляемой после обработки через патрубок 6. Аппараты погружного типа, помещаемые непосредственно в емкость с обрабатываемой средой, входного и выходного патрубков не имеют [18].

Рис. 2. РПА: 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - ножи, 5 и 6 - входной и выходной патрубки

В настоящее время известно большое количество вариантов РПА, которые в основном отличаются технологическим назначением с соответствующими конструкциями рабочих органов - формой и расположением отверстий на подвижных и неподвижных коаксиальных цилиндрах.

Обзор конструктивных особенностей РПА выявил ряд их индивидуальных и общих недостатков в процессе обработки нефтепродуктов. Это, к примеру, низкое качество гомогенизации асфальтосмолистых веществ, содержащихся в топливе, в результате чего наблююдается увеличение вязкости водотопливной эмульсии по сравнению с исходным топливом (РПА [10]), получение не оптимального размера частиц воды - 50-100 мкм (РПА [12]).

Общим недостатком РПА можно считать сложность аппаратурного оформления, связан-ную с трудоёмким изготовлением коаксиальных цилиндров с прорезями, особенно, в случае выдерживания минимальных зазоров между статорными и роторными дисками, что в итоге завышает стоимость готовой установки. Также в РПА конструктивно не предусмотрено опе-ративное изменение степени воздействия на обрабатываемые среды, кроме изменения часто-ты вращения ротора. В условиях нестабильного по составу компонентов и примесей сырья это может привести к снижению производительности за счёт проведения дополни-тельного цикла обработки сырья для достижения требуемой дисперности смеси.

Возможно, решить данные проблемы удастся посредством применения роторно-дискового смесителя (РДС) [18-20], являющегося, по сути, разновидностью многоступенчатой осевой гидродинамической сирены (рис. 3).

Рис. 3. Схема РДС с двумя подвижными дисками на консоли 1 и 2 - загрузочный и разгрузочный патрубок, 3 - неподвижный цилиндрический корпус, 4 - перфорированные диски, 5 - вал, 6 - опора

По аналогии с РПА достижение высокой гомогенизирующей способности во время работы РДС обеспечивается созданием зон с высокой турбулентностью (многочисленные зоны микромасштабных пульсаций), это связано с наличием чередующихся прорезей на роторе и статоре. Эффективное ведение процесса измельчения, например, нитевидных биту-минизированных примесей, осуществляется в РДС присутствием двух эффектов - срезывания и механического перетирания.

Срез будет осуществляться при воздействии острой кромки прорези, а перетирание при обработке в малом зазоре между рабочими плоскостями. Возможность оперативного изменения степени воздействия на обрабатываемые среды (размер капель воды) в РДС осу-ществляется с помощью устройства изменения зазора между рабочими элементами во время работы, либо с помощью регулирующих втулок. Кроме того, РДС за счёт организации осевого движения обрабатываемой среды через аппарат будет отличаться меньшей потребляемой энергией, так как он не работает по принципу центробежного насоса и, соответственно, не создаёт напор.

Обзор рекламной информации показал, что в настоящее время только в России существует несколько десятков производителей различных динамических смесителей предназначенных для обработки нефтепродуктов. К примеру, российские аппараты типа УКГ, относящиеся по конструктивным признакам к типу одноступенчатых осевых сирен [21] или радиальные сирены типа СГД.

Волновые аппараты типа БРАВО (Россия), имеющие достаточно сложную и спорную конструкцию рабочих органов [22] (рис. 4). Установки типа РИА и ВКИ (Россия), представляющие собой ранее рассмотренные РПА, а также многие другие подобные установки.

Рис. 4. Рабочие элементы волновых аппаратов типа БРАВО

Среди зарубежных производителей РПА можно выделить компанию Arde Barinco (США), выпускающую аппарат под названием Cavitron, компанию Kinematica (Швейцария) с аппаратом Megatron, смесители компании Silverson Machines (США) и Koruma Maschinenbau (Германия).

Заключение

Выбрать тот или иной тип смесителя из всего многообразия устройств, предлагаемых сегодня на рынке, становится нелёгкой задачей. В качестве определяющих параметров при выборе устройства можно рассматривать удельные энергозатраты, степень диспергирования и стоимость установки компаундирования в целом. Хотелось бы отметить, что в среднем для эффективных динамических устройств удельные энергозатраты составляют около 1 кВт•ч/м³ при диспергировании частиц в эмульсии до размеров менее 10 мкм.

Некоторые производители в рекламных целях занижают данные показатели в несколько раз, но на практике это не подтверждается. Для сравнения, при обработке нефтепродуктов в статических смесителях эти показатели порядка 0.5-1 кВт•ч/м³ при размерах частиц 10-20 мкм и 3-5 кВт•ч/м³ при уменьшении размеров частиц до 1-5 мкм.

Стоимость промышленной установки с динамическим смесителем со стартовой производительностью 5 м³/ч начинается в среднем с 200 тыс. руб. и может доходить до 1 млн. руб., в особенности, это относится к зарубежным производителям.

Литература

1. Макаров В.В., Петрыкин А.А., Емельянов В.Е. и др. Спирты как добавки к бензинам. Автомобильная промышленность. 2005. №8. С.24-26.

2. Онойченко С.Н., Емельянов В.Е., Крылов И.Ф. Современные и перспективные автомобильные бензины. Химия и технология топлив и масел. 2003. №6. С.3-7.

3. Гуреев А.А., Жоров Ю.М., Смидович Е.В. Производство высокооктановых бензинов. М.: Химия. 1981. 224с.

4. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. СПб.: Недра. 1995. 304с.

5. Горбов В.М. Применение водотопливных эмульсий в судовой энергетике: Учебное пособие. Николаев: НКИ. 1991. 54с.

6. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: Теория и практика. М.: Машиностроение. 2001. 260с.

7. Балабышко А.М., Юдаев В.Ф. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. М.: Недра. 1992. 177с.

8. Акулов Н.И. Разработка процессов получения эмульсий водно-спиртовых растворов в бензине в роторных аппаратах с модуляцией потока и их коагуляция. Дис. … канд. техн. наук: 05.18.12, Москва. 2006.

9. Пат. №2335337 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат. Смолянов В.М., Журавлёв А.В., Новосельцев Д.В., Филиппов И.А.; заявл. 06.10.06; опубл. 20.04.08.

10. Пат. №2150318 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторный аппарат. Коптев А.А., Червяков В.М., Промтов М.А; заявл. 10.11.98; опубл. 10.06.2000.

11. Пат. №2120471 Российская Федерация, МПК B01F5/00. Способ получения жидкого топлива и устройство для его изготовления. Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б., Преснов Г.В; заявл. 18.09.96; опубл. 20.10.98.

12. Пат. №2165787 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторный аппарат. Промтов М.А., Монастырский М.В.; заявл. 06.09.99; опубл. 27.04.01.

13. Пат. №2271245 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат. Пинтюшенко А.Д., Тучков В.К., Герцман Л.Е.; заявл. 12.07.04; опубл. 10.03.06.

14. Пат. №2124935 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат. Филиппов И.А., Фролов В.И., Васильев В.Д., Шкребтиенко Н.Е; заявл. 17.07.97; опубл. 20.01.99.

15. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Иностранная литература. 1967. 726с.

16. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника. М.: Иностранная литература. 1958. 354с.

17. Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя. Акустический журнал. 1963. Т.9. №3. C.47-52.

18. Шулаев Н.С., Николаев Е.А., Иванов С.П. Малообъёмные роторно-дисковые смесители. М.: Химия. 2009. 186с.

19. Пат. №2414286 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Осевой смеситель. Николаев Е.А., Шулаев Н.С. и др.; заявлено 27.02.09; опубл. 20.03.11.

20. Пат. №2414284 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Диспергатор. Николаев Е.А., Шулаев Н.С. и др.; заявлено 27.02.09; опубл. 20.03.11.

21. Пат. на полезную модель № 60399 Российская Федерация. МПК В06В1/18. Устройство для физико-химической обработки жидких сред. Дайбов В.Д.; заявл. 02.10.2006; опубл. 27.01.2007; бюл. №3.

22. Пат. №2268772 Российская Федерация, МПК B01F11/02. Способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления. Медведев А.В.; заявл. 21.12.2004; опубл. 27.01.2006.

Размещено на Allbest.ru